Освещение для видеокамер имеет решающее значение. Так почему же плохое освещение так часто встречается в системах видеонаблюдения?
Освещение для видеокамер имеет решающее значение. Так почему же плохое освещение так часто встречается в системах видеонаблюдения?
Видеоизображение формируется, когда видимый или инфракрасный (ИК) свет попадает на матрицу камеры. ИК-излучение такое же, как видимый свет, но его длина волны находится за пределами видимого спектра, поэтому мы называем его невидимым. Но камеры, как правило, могут видеть и в ИК-диапазоне. Давайте начнем с видимого спектра.
Понимание светового спектра
Радуга показывает все цвета, которые могут видеть люди. Фиолетовый и синий свет — это электромагнитное излучение длиной волны около 400 нм (нанометр – одна миллиардная метра), идущие по радужному спектру, а красный имеет длину волны ~700 нм.
Наши глаза наиболее чувствительны к зеленому свету, менее чувствительны к синему и красному. Стандартным графиком является “фотографическая кривая”.
Солнечные дни могут давать освещенность 30 000 лк на улице, падая до 500 лк в офисе, а уличное освещение дает не больше 5 лк. Кстати, поскольку ИК-излучение невидимо для человека, люксметр тоже нечувствителен к нему. Имейте в виду, что продавцы, указывающие светочувствительность камеры “0 люкс” имеют ввиду обычную камеру, восприимчивую к ИК-диапазону.
Матрица видеокамеры воспринимает свет в большем диапазоне, нежели человеческий глаз; она воспринимает ИК-излучение. Тем не менее, для точной цветопередачи в видео ИК-излучение нужно, поэтому камеры оснащают ИК-фильтром. Следовательно, цветные камеры не могут видеть в ИК диапазоне. Чтобы добавить камерам возможность работы в ИК-диапазоне, придумали технологию “день/ночь”. Перед матрицей устанавливается сдвигаемый ИК-фильтр. Он закрывает матрицу днем, позволяя точно передавать цвета и съезжает в сторону ночью, давая возможность матрице улавливать ИК-излучение. Отсюда и его название – «механический ИК-фильтр». Таким фильтром оснащены не все камеры. В дешевых моделях нет сдвигового механизма на ИК-фильтре и такие камеры очень плохо показывают ночью. Но здесь речь о камере с механическим ИК-фильтром.
Для получения четкости изображения, наше освещение должно позволить камере максимизировать контрастность. Черный цвет должен выглядеть черным, а белый должен быть как можно ярче. Значит, что на сцене должно быть много света. Но насколько?
Закон обратных квадратов
Интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния от его источника
Чтобы понять, сколько нужно света на сцене, посмотрим, как распространяется свет. Наш источник света освещает сцену лучами. Лучи распространяются в пространстве, пока летят до нашей сцены. И чем больше расстояние до нашей сцены, тем меньше лучей, которые на нее попадают, тем слабее она освещается. Это “закон обратных квадратов” – когда мы удваиваем расстояние, уменьшение освещения удваивается по горизонтали и вертикали, делая коэффициент потерь равным четырем. А часть света и вовсе не отражается, потому что белые объекты отражают только 80-90% света.
Фотографы используют эмпирическое правило, согласно которому средняя сцена отражает только 18% света. Затем эти отраженные лучи снова страдают от закона обратных квадратов при движении к камере. Фокусировка через объектив камеры тоже уменьшает количество лучей. Вот насколько мало исходного света попадает на матрицу. И это мы говорим только про белые объекты, которые хорошо отражают свет. Если взять реальный пример, то “минимальная освещенность” в характеристиках рассматриваемой камеры может означать, что белые мишени показывают 30% серого цвета. Для достижения отображения 100% серого необходимо в 3 раза больше света. Допустим, производитель говорит, что эти характеристики для объектива со светосилой F1.0. А вы, например, используете объектив на этой камере со светосилой F1.6. Значит понадобится в 2,5 раза больше света.
AGC (автоматическая регулировка усиления) увеличивает электрический сигнал с матрицы камеры на 24 дБ, чтобы сделать изображение ярче, одновременно снижая четкость (соотношение сигнал-шум) с 50 дБ до 26 дБ. Если нужно сохранить четкость изображения, то потребуется достичь соотношения сигнал/шум 40 дБ, используя только 14 дБ усиления, поэтому нужно будет это усиление компенсировать освещенностью – потребуется в 5 раз больше света. Таким образом, чтобы получить 1 люкс на матрице, нужно достичь освещенности сцены в 3 x 2.5 x 5 ≈ 37 люкс! Конечно, ситуации разнятся, но законы физики – нет. Скептически относитесь к характеристикам светочувствительности видеокамер. Четкие изображения требуют много света.
Компенсация засветки и динамический диапазон.
Выбрать правильное место установки камеры очень важно. Грязь и паутина на корпусах отражают свет, а теплые лампы привлекают диких животных и насекомых. Объектив F1.0 может затемнить сцену, реагируя на блики. Чтобы этого не произошло, нужно правильно настроить BLC (компенсация засветки). Часто источник освещения светит в том же направлении, что и камера (речь идет о ее собственной ИК-подсветке), поэтому сцены освещаются спереди. А вот если свет будет позади объекта, то будет видно только силуэт (например человек в дверном проеме).
Для получения полезных изображений самые яркие и самые темные части поля зрения камеры должны находиться в пределах ее «динамического диапазона». Чтобы не выйти за его пределы, нужно сохранить равномерность освещения сцены не хуже 3:1 с обычными камерами и 10:1 для WDR. Компьютерное моделирование в таком случае позволяет избежать ошибок. Камеры с WDR мы обычно ставим на входе в магазины и гостиницы – именно там нужно видеть лицо человека на входе.
Лампы ночного видения
Ночью цвета, которые мы воспринимаем, сильно зависят от цветов, излучаемых нашим источником света. По сравнению с идеальным дневным освещением, вольфрамовые/галогенные лампы дают превосходную цветопередачу, но при этом эксплуатационные расходы высоки. Аппроксимация «белого света» от металлогалогенных, люминесцентных и светодиодных ламп хороша и более энергоэффективна. Такое освещение мы рекомендуем ставить на складе.
«Оранжево-белый» свет от натриевых ламп высокого давления – обычное дело. К сожалению цветопередача при таком свете очень плохая. Камеры, как правило, имеют активный AWB (автоматический баланс белого), но это не исправляет плохую цветопередачу.
Натриевые лампы низкого давления очень эффективны, но излучают только один цвет – желтый, поэтому различить цвета невозможно. То же самое и с инфракрасным светом, который используется с камерами в монохромном режиме.
Волны света в разных диапазонах фокусируются по-разному. Линзы с ИК-коррекцией сделаны таким образом, чтобы свести к минимуму любые эффекты расфокусировки при переключении с видимого дневного освещения на ИК-ночное освещение. Убедитесь, что фокус ваших камер настроен при полностью открытой диафрагме (так достигается минимальная глубина резкости) под инфракрасным светом. При дневном свете диафрагма закрывается, а увеличение глубины резкости уменьшает эффект расфокусировки. «Незакрытые» ИК-лампы на основе вольфрама (темно-красное свечение около 750 нм) нуждаются в меньшей коррекции, чем «полускрытые» лампы (тусклое оранжевое свечение около 830 нм) и, опять же, меньше, чем «скрытые» лампы (почти невидимое свечение на 950 нм). Чувствительность камеры к ИК-излучению падает с увеличением длины волны, поэтому для получения изображения требуется больше ИК-света (в Вт/м2, а не в люксах). Настоятельно рекомендуется провести полевые испытания, а не полагаться на расплывчатые оценки производителя относительно характеристик ИК-излучения.
Светодиодная подсветка
Светодиоды – самое эффективное освещение для видеонаблюдения как в видимом, так и инфракрасном спектре. Например, мощность прожекторов улучшается, а большинство камер снабжено ИК-подсветкой, хоть и неэффективной в большинстве недорогих моделей.
Заключение
Проектирование освещения для видеонаблюдения долгое время было темным искусством, в буквальном и переносном смысле. Часто освещение для видеонаблюдения не проектируется вообще, в надежде, что и так все будет хорошо видно. Я надеюсь, вы понимаете насколько важно иметь хорошее освещение для камер. Ведь если камера ничего не видит – видеонаблюдение не работает.
Это перевод статьи с сайта ifsecglobal.com. Оригинал здесь